Επίδραση οξικού οξέος και αμμωνίας στους μεθανογόνους πληθυσμούς: βιολογική αντιμετώπιση της ανασταλτικής δράσης της αμμωνίας

Abstract

Methanogenesis from acetate is the most important step for the biogas process and it can follow two metabolic pathways, either aceticlastic methanogenesis or acetate oxidation coupled with hydrogenotrophic methanogenesis. Anaerobic reactors treating animal waste to produce biogas, can face significant problems under the influence of strong inhibitory factors (e.g. ammonia, organic overloading) which affect methanogenesis. Up to now, the research for the influence of ammonia concentration on the methanogenic pathway and on the methanogenic community composition has conflicting results. Furthermore, not many studies have been focused on the effect of acetate on the methanogenic pathway and on the methanogenic community compositions. In the light of the above developments, four experimental series were designed. The first experimental series consisted from three continuous flow reactors (UASB: up–flow anaerobic sludge blanket). Two of the reactors worked under gradually increasing concentrations of ammonia. In UASB continuous reactors experimental series was attempted to immobilize on the granules a syntrophic mesophilic population (SAO) able to overcome high ammonia concentrations. The three subsequent experimental series consisted from batch reactors. Two acclimatization experimental series of stepwise increase of acetate and ammonia concentrations performed, respectively. In the third batch reactors’ experimental series was examined the direct exposure of un – acclimatized inocula to different ammonia concentrations. In all batch reactors’ experimental series, three initial methanogenic inocula (one mesophilic and two thermophilic) were used. Methanogenic initial inocula derived from full – scale reactors fed mainly with animal manure. The methanogenic pathway was determined by following the production of 14CH4 and 14CO2 from acetate labeled in the methyl group (C–2). Microbial communities’ composition was determined by fluorescence in – situ hybridization (FISH). The main conclusions obtained in this study were: 1) It is possible to immobilize on the granules of a UASB reactor working under high ammonia concentration (6.43 g NH4+ – N L–1) a syntrophic mesophilic population (SAO). 2) Aceticlastic methanogenesis was the dominant pathway of methane production from acetate, mediated by Methanosarcinaceae sp, in bioreactors with high ammonia concentrations (7 g NH4+–N L–1). 3) Direct exposure of methanogenic (non – acclimatized) populations at high ammonia concentrations, favored the dominance of acetate oxidation pathway coupled with hydrogenotrophic methanogenesis at both mesophilic and thermophilic conditions. 4) Non – acclimatized Methanoccocales sp was more resistant to ammonia concentrations up to 5 g NH4+–N L–1. 5)Acclimatization process of mesophilic and thermophilic methanogens to stepwise increase of acetate concentrations resulted to clear dominance of aceticlastic pathway mediated by Methanosarcinaceae sp.

Η μεθανογένεση διαμέσου του οξικού οξέος, είναι το πιο σημαντικό στάδιο της παραγωγής βιοαερίου. Οι δυο μεταβολικές οδοί μέσω των οποίων το οξικό οξύ μπορεί να αναχθεί σε μεθάνιο, είναι: 1) η οξικολυτική μεθανογένεση και 2) η οξείδωση του οξικού οξέος σε συνδυασμό με την υδρογονοτροφική μεθανογένεση. Οι αναερόβιοι αντιδραστήρες που επεξεργάζονται ζωικά λύματα για την παραγωγή βιοαερίου, είναι δυνατόν να αντιμετωπίσουν σημαντικά προβλήματα στην αποδοτική τους λειτουργία, λόγω της επίδρασης ισχυρών ανασταλτικών παραγόντων (π.χ. αμμωνία, υψηλό οργανικό φορτίο) που επηρεάζουν τη μεθανογένεση. Μέχρι σήμερα, η έρευνα για την επίδραση της αμμωνίας στη μεταβολική οδό παραγωγής μεθανίου από το οξικό οξύ καθώς και στη σύσταση των μεθανογόνων πληθυσμών, έχει αντικρουόμενα αποτελέσματα. Επιπλέον, η επίδραση του οξικού οξέος στη μεταβολική οδό παραγωγής μεθανίου από το οξικό οξύ, καθώς και στη σύσταση των μεθανογόνων πληθυσμών, δεν έχει ερευνηθεί εκτενώς. Υπό αυτές τις προϋποθέσεις, σχεδιάστηκαν τέσσερις πειραματικές σειρές. Η πρώτη πειραματική σειρά περιελάμβανε τρεις αντιδραστήρες συνεχούς ροής μέσα από αναερόβια στρώση κοκκώδους λάσπης (UASB: up – flow anaerobic sludge blanket), οι δυο εκ των οποίων λειτούργησαν σε σταδιακά αυξανόμενες συγκεντρώσεις αμμωνίας. Στη συγκεκριμένη πειραματική σειρά, επιχειρήθηκε η εγκατάσταση ενός μεσόφιλου συντροφικού πληθυσμού (SAO) στην αναερόβια στρώση κοκκώδους λάσπης (granules), ικανού να ανταπεξέλθει σε υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας. Οι τρείς επόμενες πειραματικές σειρές, αποτελούνταν από αντιδραστήρες εφάπαξ πληρώσεως. Στις δύο πρώτες πειραματικές σειρές, εξετάστηκε η επίδραση σταδιακά αυξανόμενων συγκεντρώσεων αμμωνίας και οξικού οξέος, αντίστοιχα, στη βιολογική οδό παραγωγής μεθανίου και στη σύσταση των μεθανογόνων πληθυσμών. Στην τρίτη πειραματική σειρά, εξετάστηκε η επίδραση της απευθείας έκθεσης των μεθανογόνων πλυθησμών σε διαφορετικές συγκεντρώσεις αμμωνίας, και διερευνήθηκε η επίδραση της στη βιολογική οδό παραγωγής μεθανίου και στη σύσταση των μεθανογόνων πληθυσμών. Στις τρεις πειραματικές σειρές, χρησιμοποιήθηκαν τρία αρχικά εμβόλια (ένα μεσόφιλο και δύο θερμόφιλα) που προήλθαν από αντίστοιχους βιολογικούς αντιδραστήρες αναερόβιας επεξεργασίας ζωικών λυμάτων. Η βιολογική οδός της μετατροπής του οξικού οξέος σε μεθάνιο, προσδιορίστηκε με τον προσδιορισμό της αναλογίας 14CH4/14CO2. Οι μεθανογόνοι μικροοργανισμοί προσδιορίστηκαν με την ανάλυση φθορίζοντος υβριδισμού στη φυσική θέση (fluorescence in–situ hybridization – FISH). Τα βασικά συμπεράσματα που εξήχθησαν από την παρούσα ερευνητική εργασία, είναι τα ακόλουθα: 1) Είναι δυνατή η εγκατάσταση του μεσόφιλου συντροφικού πληθυσμού (SAO) στα granules ενός UASB αντιδραστήρα. 2) Η οξικολυτική μεθανογένεση ήταν η κυρίαρχη μεταβολική οδός παραγωγής μεθανίου από το οξικό οξύ, με κυρίαρχους μεθανογόνους τα Methanosarcinaceae sp, σε βιο – αντιδραστήρες με υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας (7 g NH4+–N L–1). 3) Η απευθείας έκθεση των μεθανογόνων (μη εγκλιματισμένων) πληθυσμών σε υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας, ευνόησε την επικράτηση της οξείδωσης του οξικού οξέος, σε συνδυασμό με την υδρογονοτροφική μεθανογένεση ως κυρίαρχης μεταβολικής οδού παραγωγής μεθανίου στις μεσόφιλες και τις θερμόφιλες συνθήκες. 4) Τα μη εγκλιματισμένα μεθανογόνα Αρχαία του είδους Methanoccocales sp., ήταν τα πιο ανθεκτικά σε συγκεντρώσεις αμμωνίας έως και 5 g NH4+–N L–1. 5) Η διαδικασία εγκλιματισμού των μεσόφιλων και θερμόφιλων μεθανογόνων πληθυσμών σε σταδιακά αυξανόμενες συγκεντρώσεις οξικού οξέος, εδραίωσε την οξικολυτική μεθανογένεση ως κυρίαρχη μεταβολική οδό παραγωγής μεθανίου από το οξικό οξύ, με κυρίαρχους μεθανογόνους τα Methanosarcinaceae sp.